Физики научились синтезировать гладкие алмазные плёнки для электроники и оптики
Физики из Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН и МИРЭА — Российского технологического университета нашли способ изготавливать алмазные плёнки с нужной шероховатостью. Для этого авторы новой работы использовали плазму — ионизированный газ, — куда периодически добавляли азот. Этот элемент помог уменьшить размер алмазных зёрен, из которых состоит плёнка, тем самым сделав её в 13 раз более гладкой.
Благодаря хорошей способности отводить тепло полученные структуры могут использоваться для охлаждения мощной электроники и оптических приборов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Vacuum.
Алмаз — самый твёрдый материал на Земле. Кроме того, он прозрачен и очень хорошо проводит тепло. Благодаря таким свойствам алмазные плёнки могут служить отличными охладителями для мощных электронных устройств, а также элементами оптических приборов, чувствительных к перегреву. Однако высокая шероховатость поверхности ограничивает их применение, в частности, вызывая рассеяние света. Чтобы решить эту проблему, материал обычно полируют, но из-за высокой твёрдости алмаза процесс его обработки трудоёмкий и дорогой, а для покрытий на деталях сложной формы иногда вовсе невозможный.
Алмазная плёнка, выращенная на кремниевой пластине. Кремний под плёнкой частично удален, но в центре оставлен небольшой «островок», позволяющий закрепить алмазную плёнку при последующей механической полировке
Исследователи нашли способ синтезировать толстые алмазные плёнки с существенно более гладкой поверхностью и возможностью управлять их тепловыми, электрическими и оптическими свойствами.
Авторы применили метод микроволнового плазмохимического осаждения. Это подход, при котором плёнку «выращивают» в вакуумной камере, используя газообразные вещества-предшественники. В своей работе исследователи закачали в камеру водород и метан. Последний служил источником углерода для роста алмазной плёнки. С помощью микроволнового излучения в камере создали плазму, в которой образовывались активные частицы, обеспечившие рост алмазных кристаллов на подложке.
При этом во время синтеза авторы периодически ненадолго добавляли в камеру ещё один газ — азот. Он запускал образование новых мелких кристаллов и препятствовал формированию больших частиц. Каждая такая «инъекция» азота длилась всего пять минут и приводила к осаждению тончайшего слоя нанокристаллического алмаза. Затем подача азота прекращалась, и ранее сформировавшиеся кристаллы продолжали расти в обычном режиме. Следующая добавка азота вновь запускала образование мелких кристаллов, препятствуя укрупнению зёрен.
Алмазная плёнка, полностью отделённая от кремниевой подложки и закреплённая в специальном держателе с отверстием для прохождения света
Повторяя этот цикл, исследователи создали плёнки с разным числом чередующихся мелко- и крупнозернистых слоев. Это позволило проследить, как структура материала влияет на его свойства.
Эксперимент показал: чем больше было мелкокристаллических слоёв, тем более гладкой получалась поверхность материала. Введя 100 таких слоёв, авторам удалось добиться уменьшения шероховатости исходной плёнки в 13 раз.
«Мы не стремились сделать всю плёнку нанокристаллической, поскольку такая структура может снижать теплопроводность и пропускание инфракрасного излучения. Вместо этого мы научились управлять размером кристаллов непосредственно во время роста, изменяя частоту коротких добавок азота в плазму. Это позволяет получать толстые алмазные пленки с существенно более гладкой поверхностью и подбирать их тепловые, электрические и оптические характеристики под конкретные задачи», — поясняет руководитель проекта Артём Мартьянов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории алмазных материалов ИОФ РАН.
Вакуумная установка для термического напыления тонких металлических покрытий
Таким образом, предложенный метод позволяет во время выращивания получать алмазные пленки с заданными характеристиками. Такие материалы можно прямо во время синтеза «настраивать» под конкретные объекты применения — от теплоотводов для мощной электроники до защитных покрытий и элементов инфракрасной оптики.
«Разработанная технология позволяет значительно сократить необходимость механической полировки алмазных плёнок, а в некоторых применениях — полностью отказаться от неё. В перспективе это может снизить стоимость производства алмазных изделий и расширить возможности нанесения покрытий на поверхности сложной формы, механическая обработка которых практически невозможна. В дальнейшем мы планируем использовать разработанную технологию для получения отдельных микро- и наночастиц, которые могут найти применение в биомедицинской диагностике и оптических сенсорах. Кроме того, мы работаем над созданием нового типа многослойных структур с чередующимися слоями алмаза и графита: удаление графитовых прослоек позволит сформировать систему тончайших алмазных мембран, перспективную для создания высокоэффективных фильтров», — подводит итог Артём Мартьянов.
Источник: пресс-служба РНФ.
